1 Thermogram 2001 IMAGERIE THERMIQUE, LE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF DES MATÉRIAUX Jean-Luc BODNAR Laboratoire d Energétique et d Optique UFR Sciences Exactes et Naturelles BP 1039 F-51687 REIMS cedex 02 Tél. 03 26 91 32 52 Fax 03 26 91 32 50 E-mail : jl.bodnar@univ-reims.fr Résumé. Les progrès récents de l optique, de l électronique, de l informatique et des techniques de traitement du signal ont permis le développement de nouvelles méthodes de contrôle non destructif. Parmi celles-ci, on peut citer la radiométrie photothermique. Son principe consiste à soumettre l échantillon à analyser à un flux de photons dont l absorption produit une élévation locale de température au voisinage du point d impact lumineux, puis à observer les variations d émissions du matériau à l aide d une chaîne de détection optique infrarouge. Le signal photothermique ainsi obtenu dépend des propriétés thermophysiques du matériau analysé, mais aussi de propriétés qui leur sont corrélées (structure interne, présence de défauts, ), ce qui permet alors de les caractériser. Le principe de cette méthode de contrôle non destructif fait qu elle est sans contact, qu elle peut travailler à distance et enfin qu elle est modulable et facilement personnalisable en fonction des besoins. Ces différentes potentialités font qu elle trouve des applications de plus en plus nombreuses dans le domaine du contrôle et de la caractérisation des matériaux minces. On peut par exemple citer la détection de fissures débouchantes ou non dans des matériaux métalliques ou la détection de défauts d isolation thermique dans des pavillons d habitation.
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3 Thermogram 2001 INTRODUCTION Le problème du contrôle non destructif des matériaux est depuis longtemps un sujet qui intéresse les industriels. On peut mesurer l importance de ce problème au nombre d études réalisées et à la diversité des techniques proposées. Certaines techniques comme la radiographie X ou γ, les ultrasons, les courants de Foucault, le ressuage ou la magnétoscopie sont déjà très employées par les industriels, avec leurs avantages et leurs inconvénients. D autres techniques, telles que celles utilisant les «ondes thermiques», commencent à sortir des laboratoires de recherche. Sans être exhaustif, nous pouvons citer la photoréflectance, la photoacoustique, l effet mirage et enfin la radiométrie photothermique que nous allons étudier plus en détail dans cet article. Notre présentation se décompose en trois parties : Nous exposons d abord le principe de la radiométrie photothermique. Nous présentons ensuite les différentes façons de mettre en œuvre cette méthode de contrôle non destructif, ainsi que quelques dispositifs expérimentaux. Enfin, nous étudions deux exemples d application de la méthode : la détection de fissures débouchantes ou non dans des matériaux métalliques et la détection d un manque de polystyrène dans un complexe isolant de maison d habitation. 1. PRINCIPE DU CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR RADIOMETRIE PHOTOTHERMIQUE Le principe de la radiométrie photothermique est relativement simple. Il consiste à soumettre l échantillon à analyser à un flux de photons dont l absorption produit une élévation locale de température au voisinage du point d impact lumineux, puis à observer les variations d émissions du matériau à l aide d une chaîne de détection optique infrarouge (figure 1). Les phénomènes thermophysiques mis principalement en œuvre par cette méthode de contrôle sont la conduction et le rayonnement thermique. Le signal photothermique recueilli par le radiomètre infrarouge dépend donc des paramètres gouvernant ces phénomènes physiques (conductivité thermique, diffusivité thermique, émissivité, température, chaleur spécifique, masse volumique, ), mais aussi de tous les paramètres pouvant être corrélés à ces derniers (aspect de surface, présence de délaminage, présence de fissure, structure interne du matériau, avancement d une transformation physico-chimique, séchage, sédimentation, ). La radiométrie photothermique offre alors aux ingénieurs un nouveau moyen de caractérisation de ces différents paramètres. Le principe de la méthode fait qu elle est non destructive, sans contact, modulable, facilement personnalisable en fonction des besoins et enfin qu elle permet l étude des 100 premiers micromètres des matériaux (ce qui n est pas toujours possible avec les autres méthodes de contrôle non destructif). Il fait aussi que la méthode est limitée à l étude des matériaux minces (jusqu à quelques centimètres d épaisseur) et qu elle peut être dépendante des propriétés radiatives de surface.
4 Thermogram 2001 Figure 1 - Principe de la radiométrie photothermique 2. LES DIFFERENTES FAÇONS DE METTRE EN ŒUVRE LA RADIOMETRIE PHOTOTHERMIQUE Comme nous venons de le voir, la radiométrie photothermique utilise des moyens optiques pour exciter le matériau à étudier ainsi que pour recueillir les informations utiles. De ce fait, cette méthode de contrôle non destructif possède toute la flexibilité, en terme de mise en œuvre, offerte par cette branche de la physique. Elle pourra, par exemple, être facilement personnalisée en fonction des besoins. Ainsi pour un problème donné, le spécialiste de radiométrie photothermique pourra choisir entre une excitation localisée ou étendue, entre un mode de dépôt d énergie modulé, pulsée ou aléatoire ou encore entre une détection ponctuelle ou étendue. Il pourra par ailleurs choisir les plages de longueurs d ondes à utiliser pour exciter l échantillon étudié ou pour recueillir les informations utiles. Ce grand éventail de possibilités, fait qu il existe de nombreuses façons de mettre en œuvre la radiométrie photothermique. Voyons quelques règles ou critères qui pourront, face à un cas particulier, nous aider à choisir l instrumentation à utiliser. 2.1. Choix de la plage spectrale d excitation optique Généralement, on choisira de fournir l excitation optique dans une plage de longueurs d onde située dans le domaine du visible ou du proche infrarouge. En effet, de cette façon elle pourra facilement être séparée, du fait des réflexions sur le matériau, du signal photothermique, plutôt distribué spectralement autour de dix micromètres lorsque l échantillon est à température ambiante (loi de Planck). Par ailleurs on choisira de déposer cette énergie, d abord de façon modérée afin de ne créer que de faibles augmentations de températures et donc de rester non destructif, mais aussi dans une bande de longueurs d onde située dans une plage d absorption de l échantillon étudié. 2.2. Choix du mode de dépôt d énergie Trois types principaux de distribution temporelle de l excitation peuvent être utilisés : Une excitation impulsionnelle, une excitation périodique sinusoïdale ou une excitation aléatoire. Dans le premier cas, c est la relaxation thermique (réponse impulsionnelle, RI) de la surface de l échantillon excité qui est observée. Dans le second cas, c est l amplitude et la phase du signal
5 Thermogram 2001 photothermique qui sont mesurées (réponse harmonique, RH). Dans le dernier cas, c est la corrélation entre le signal d excitation e(t) et les variations de températures de la surface de l échantillon s(t) qui est étudiée. Cette corrélation permet en effet, de reconstruire, sous sollicitations énergétiques moindres, les réponses impulsionnelle (RI) ou harmonique (RH) fournies par les deux méthodes précédentes (fig.2). e (t) Echantillon s (t) Corrélateur RI (t) Transformation de Fourier RH (f) Figure 2 - Principe d une analyse photothermique sous excitation aléatoire Chaque mode d analyse présente un certain nombre d avantages et d inconvénients. Ainsi l excitation sinusoïdale associée à une détection synchrone présente comme principaux avantages d offrir un très bon rapport signal / bruit ainsi que l accès à la réponse harmonique des matériaux et donc à deux paramètres caractéristiques (l amplitude et la phase du signal photothermique). Elle présente comme principal inconvénient d être un mode d analyse relativement lent (l analyse à basses fréquences d un matériau diélectrique peut prendre plusieurs minutes, voire dizaines de minutes). L excitation impulsionnelle conjuguée à une détection continue présente comme principal avantage de donner accès à la réponse impulsionnelle des matériaux, qui est riche en fréquences et donc en informations. Elle présente comme principal inconvénient de déposer une énergie importante pendant un faible laps de temps (flash), ce qui peut occasionner une détérioration de l échantillon étudié. Enfin, l excitation aléatoire présente comme principal avantage de donner accès, sous contraintes énergétiques moindres, aux réponses impulsionnelles et harmoniques multifréquentielles des échantillons (celles obtenues à l aide des deux méthodes précédentes). Elle présente comme principal inconvénient d être une méthode d analyse plus complexe à mettre en œuvre que les deux autres. Ainsi, le choix du mode d excitation à utiliser pour une application donnée, va dépendre des impératifs d études (résolution recherchée, vitesse d analyse demandée, besoin de s affranchir d une dérive temporelle du dépôt d énergie, prise en compte d un contexte industriel particulier, besoin de s affranchir de la connaissance de l émissivité de surface, ). Par exemple, pour une demande de résolution importante, sans impératif temporel réel, on choisira plutôt une excitation sinusoïdale et une détection synchrone, alors que pour un contrôle rapide en fabrication, sans contrainte de résolution trop importante, on fera plutôt appel à une excitation impulsionnelle ou pseudo-impulsionnelle utilisant un déplacement relatif excitation/échantillon. 2.3. Choix des dimensions des zones excitées et analysées La souplesse de l optique permet aussi de choisir l étendue des zones excitées et analysées. Ainsi en utilisant un laser focalisé, il sera possible d obtenir une excitation très locale et donc de développer une analyse de phénomènes très fins (détection de microfissures, mesure locale de propriétés thermophysiques). L utilisation de sources lumineuses plus étendues (lampes, radiants,
6 Thermogram 2001 projecteurs) facilitera l analyse d échantillons ou de structures industrielles de grandes tailles, mais sera plus limitée en terme de discrimination spatiale de l analyse. A ces différents types d excitations, on associera bien sûr des détections elles aussi localisées (détecteur infrarouge mono élément) ou étendues (caméra de thermographie infrarouge) en fonction des problèmes posés. 2.4. Choix de la bande spectrale de détection Généralement, le choix de la bande spectrale de détection dépend de trois paramètres : d abord de la température moyenne de l échantillon étudié, ensuite de la transmission optique de la couche d atmosphère placée entre l échantillon étudié et le détecteur infrarouge et enfin de la réponse spectrale de ce dernier. Ces dépendances, pouvant être liées au contexte industriel, font que le choix de la bande spectrale de détection devra être fait au cas par cas. 3. TROIS EXEMPLES D INSTRUMENTATION DE RADIOMETRIE PHOTOTHERMIQUE Comme nous venons de le voir, la radiométrie photothermique est une méthode de contrôle non destructif très modulable et personnalisable en fonction des besoins. Il existe donc de nombreuses façons de la mettre en œuvre et par conséquent de nombreux types de dispositifs expérimentaux. Examinons trois exemples plus en détails et voyons dans chaque cas la démarche logique qui nous a conduit à choisir les différents éléments du dispositif expérimental. 3.1. Le système d analyse par «Flying spot» du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims Le système d analyse par «Flying spot» du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims (figure 3) a été développé pour détecter et caractériser des microfissures débouchantes ou non dans des matériaux métalliques et ce si possible plutôt à des vitesses «industrielles». Les dimensions microscopiques des fissures à analyser nous ont d abord conduits à utiliser une excitation localisée. L effet de barrière thermique engendré par la présence d une fissure, effet dont nous voulions profiter au maximum, ainsi que la volonté d obtenir une analyse rapide, nous ont ensuite entraînés à mettre en œuvre un déplacement relatif de la sonde photothermique par rapport à l échantillon étudié. Enfin, la demande de caractérisation des fissures nous a poussés à essayer de recueillir le maximum d informations utiles et donc à utiliser une caméra de thermographie comme dispositif de détection infrarouge. Figure 3 - Le système d analyse par «Flying spot» du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims
7 Thermogram 2001 3.2. Le système d analyse photothermique de détection de défaut d isolation du CSTB fin de Le système d analyse photothermique de détection de défaut d isolation du CSTB (figure 4) texte a été développé pour détecter des manques de polystyrène dans des complexes isolants de maison d habitation. Le caractère industriel de cette application ainsi que la demande de portabilité qui nous avait été faite, nous ont conduits à mettre en œuvre un dispositif expérimental aussi simple que possible. Ainsi, nous avons choisi des panneaux rayonnants industriels pour exciter de façon impulsionnelle les murs à analyser et une caméra de thermographie pour assurer la collecte des informations. 3.3. Le système d analyse des matériaux minces par Infrarouge du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims Le système d analyse des matériaux minces par infrarouge du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims (figure 5) fin de texte a été conçu pour être un outil de recherche. Nous souhaitions qu il nous permette tous les types d excitation (sinusoïdale, impulsionnelle et aléatoire) ainsi que tous les types de détection (locale ou étendue). Ainsi, pour l excitation, nous avons choisi de mettre en œuvre une diode laser, facilement pilotable par ordinateur, et des optiques de collimation et de focalisation. Pour la détection, nous avons choisi d utiliser un détecteur infrarouge monoélément couplé à des tables de déplacement micrométrique fin. 4. DEUX EXEMPLES D APPLICATIONS DE LA RADIOMETRIE PHOTOTHERMIQUE Les applications de la radiométrie photothermique dans le domaine du contrôle non destructif sont déjà nombreuses. On peut citer la détection de délaminage dans des matériaux composites, la détection de défauts de sertissage d ailettes de radiateurs, la mesure d épaisseur de revêtement, la mesure de haute température en situation complexe (à l intérieur d un four) ou encore la détection de fissures débouchantes ou non dans des matériaux métalliques ainsi que la détection de défauts d isolation dans le domaine du bâtiment ( ). A titre d exemple, examinons de façon plus détaillée ces deux dernières applications. 4.1. Détection de micro-fissures dans des matériaux métalliques La détection de fissures dans des matériaux métalliques est un problème très ancien et il n y a pas, à ce jour, de méthode universelle permettant de le résoudre. Comme la présence d une fissure dans un matériau représente une inhomogénéité et donc une variation des propriétés radiatives de surfaces lorsqu elles sont débouchantes et des variations de propriétés thermophysiques dans tous les cas, il nous a semblé que la radiométrie photothermique pouvait aussi permettre la détection de ce genre de défaut. Nous avons alors développé une étude sur ce sujet et sommes arrivés aux résultats suivants. Une fissure débouchante, de faible largeur par rapport à sa profondeur, se comporte comme un micro «corps noir». Elle présente alors une émissivité plus importante. Si la surface du matériau est de faible émissivité, ce phénomène peut suffire pour en assurer la détection (figure 6) fin de texte. Dans le cas où l émissivité de la surface du matériau est proche de celle de la fissure ou bien quand la fissure est non débouchante, c est l effet de barrière thermique joué par la fissure dont
8 Thermogram 2001 il faut tirer profit. En effet, la présence d une fissure dans un matériau modifie les flux de conduction internes et donc, lors d une analyse transitoire, la répartition de température de surface de l échantillon, ce qu il est possible de détecter par analyse photothermique Ce phénomène nous a permis de détecter des fissures débouchantes ou non de quelques dizaines de micromètres de large. Dans l exemple que nous présentons sur la figure 7 fin de texte, nous avons cherché à détecter une fissure non débouchante d environ 100 µm de large dans un échantillon de duralumin recouvert par 20 µm de peinture polyuréthane. La technique photothermique utilisée est celle du «Flying spot laser». Sur cette figure, on voit d une part apparaître, le long de la diagonale principale, la signature thermique du faisceau laser excitateur et d autre part, le long d une verticale, la signature photothermique de la fissure. Elle se caractérise par une augmentation plus importante de la température sous le faisceau excitateur et par une cinétique de refroidissement de la surface de l échantillon plus lente lorsque le faisceau excitateur s éloigne de la fissure. 4.2. Détection de défauts d un manque de polystyrène dans le complexe isolant d un mur d habitation. Tout comme pour une fissure dans un matériau métallique, détecter un manque de polystyrène dans un complexe isolant de maison d habitation est un problème qui n a pas de solution universelle. De la même façon ce type de défaut peut être assimilé à une barrière thermique ayant tendance à perturber les flux de conductions internes. Comme dans le cas des fissures, il nous a semblé que la radiométrie photothermique pourrait permettre de détecter ce type de défauts. Nous avons donc mené une étude expérimentale sur un complexe isolant composé d un voile de béton recouvert de 6 cm de polystyrène, lui-même recouvert de 1 cm de plâtre. Le défaut recherché est une incrustation de plâtre situé dans la plaque de polystyrène, de 2 cm de large et de 6 cm d épaisseur (figure 8). Figure 8 - Complexe isolant d un mur d habitation comprenant un manque de polystyrène Le dispositif expérimental utilisé est celui que nous avons développé pour l occasion pour le CSTB (figure 4). Un exemple de résultat obtenu est présenté sur la figure 9. Il s agit de l image photothermique obtenue 60 s après la fin de l excitation impulsionnelle (d une durée de 180 s et d une densité de puissance de 500 W / m 2 ) à l aplomb du défaut. Elle fait apparaître une variation très nette du signal photothermique à l aplomb du défaut. 5. CONCLUSION Les progrès récents de l optique, de l électronique, de l informatique et des techniques de traitement du signal ont permis le développement de nouvelles méthodes de contrôle non destructif. Parmi celles-ci, on peut citer la radiométrie photothermique. De par son principe, simple, et ses potentialités (sans contact, modulable, facilement personnalisable en fonction des
9 Thermogram 2001 besoins, permettant l étude des 100 premiers micromètres des matériaux, ), elle peut se positionner comme une méthode complémentaire de celles habituellement utilisées en contrôle non destructif. Elle a déjà été utilisée, par exemple pour la détection de fissures débouchantes ou non dans des matériaux métalliques ou encore la détection de défauts d isolation thermique dans l habitat, mais on peut lui imaginer bien d autres applications. Les coûts en baisse des instrumentations de photothermique et le développement de l analyse aléatoire semblent promettre un bel avenir à cette méthode de contrôle non destructif pour l analyse des matériaux minces.
10 Thermogram 2001 Figure 4 - Le système d analyse photothermique de détection de défaut d isolation du CSTB (chauffage et caméra thermique) Figure 5 - Le système d analyse des matériaux minces par infrarouge du Laboratoire d Energétique et d Optique de la Faculté des Sciences de Reims Figure 6 - Détection par radiométrie photothermique sous excitation de type «Flying spot» d une fissure débouchante de 20 µm de large dans un échantillon de laiton / nickel-chrome. Figure 7 - Image photothermique de type «Flying spot» d une fissure non débouchante de 100 µm de large dans un échantillon de duralumin recouvert de 20 µm de peinture polyuréthane. Figure 9 - Détection d un manque de polystyrène dans le complexe isolant d un mur de maison d habitation.
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